馮晶晶，張成梁，劉治辛，趙廷寧?，榮立明

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京； 2.輕工業(yè)環(huán)境保護研究所，100089，北京)

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自然降水條件下煤矸石坡土壤含水量及徑流變化

馮晶晶1，張成梁2，劉治辛1，趙廷寧1?，榮立明2

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京； 2.輕工業(yè)環(huán)境保護研究所，100089，北京)

為了防止矸石山水土流失，促進煤礦廢棄地植被恢復，對自然降水條件下煤矸石坡面含水量及徑流變化進行觀測，研究降水量及風化年限對煤矸石坡面各層含水量及產流量的影響。結果表明：1)在小雨(<10 mm/d)條件下，煤矸石坡地表、地下徑流量接近；在中雨(≥10 mm/d，<25 mm/d)及大雨(≥25 mm/d)條件下，降雨主要以地下徑流的形式流失。在小雨情況下，煤矸石坡產生的地表徑流、地下徑流量均較少；中雨的發(fā)生頻率和累計降水量最高，累計產生的地表徑流量最高；大雨發(fā)生頻率最低，累計產生的地下徑流量和總徑流量最高。2)地表徑流量與降水量顯著正相關，地下徑流量與最大降雨強度、平均降雨強度顯著正相關。3)由于風化程度增加，與2013年相比，2014年次小雨產生的地表徑流、地下徑流和總徑流分別降低50%、100%、80%，次中雨產生的地表徑流、地下徑流和總徑流分別降低88%、82%、97%。4)煤矸石具有一定的蓄水能力，20～30 cm含水量最高。隨著風化程度增加，10～30 cm含水量增加。盡管10 cm風化程度高，但是由于表層蒸發(fā)，含水量較低。5)由于煤矸石顆粒粗大、滲透性強，在小雨、中雨、大雨條件下，矸石坡產生的地表徑流量均小于土坡，分別為土坡的4%、26%、19%。

煤矸石； 徑流量； 降水； 含水量； 風化

采煤作業(yè)中產生的廢棄地主要包括排土場、塌陷區(qū)和矸石山。煤矸石是煤礦在建井、開拓掘進、采煤和煤炭洗選過程中排出的含炭巖石及巖石，是煤礦建設、生產過程中的廢棄物。煤矸石從地下開采排到地面堆積如山，稱為矸石山。煤矸石坡體主要由砂質巖、碳酸鹽巖類、頁巖、泥巖類及煤粒、硫結核組成，礦物成分主要有高嶺石和石英，還含有長石、菱鐵礦、黃鐵礦、方解石、伊利石等，化學組分主要有碳、硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鉀等金屬和非金屬元素的氧化物，其中氧化硅、氧化鋁比例較高[1]。煤矸石山立地條件惡劣，植物存活困難[2-3]。在降水作用下，裸露地表受到侵蝕，養(yǎng)分流失，土體物理結構改變，立地條件進一步惡化。無法蓄積的水分作為徑流流失，造成水資源的浪費。根據1998年頒布的《中華人民共和國土地管理法》，因挖掘、塌陷、占壓等造成土地破壞的，應當按照國家有關規(guī)定負責復墾[4]。

為了控制矸石山水土流失，一些學者對矸石山水文規(guī)律和水力性質進行了研究。李建明等[5]的研究表明煤矸石坡在降雨強度<1.0 mm/min時產流、產沙均不明顯，與未受擾動的土壤相比，煤矸石坡在2.5～3.0 mm/min的高強度降雨下穩(wěn)定徑流量較低。矸石山的徑流產量與入滲能力密切相關，矸石散體的黏性、顆粒組成影響到矸石山邊坡的入滲能力。臧亞君等[6]認為，隨著排矸年限的增加，矸石滲透速率增加。胡振華等[7]研究表明，隨著煤矸石密度增加，初滲速率和穩(wěn)滲速率下降。王青杵[8-9]比較了覆土及不覆土的煤矸石堆積坡，發(fā)現覆土反而增加了煤矸石坡的徑流量和輸沙率，隨著堆積年限的增加，煤矸石山坡面侵蝕和溝道侵蝕模數顯著增加。然而，這些研究多采用人工模擬降雨或模擬徑流沖刷試驗[5,10]，而自然降雨的強度和持續(xù)時間不定，溫度、濕度、煤矸石的初始含水量等因素也更多樣化，因此試驗數據未必與實際一致。

本試驗連續(xù)2年觀測煤矸石堆積坡含水量及徑流量，研究風化年限及降水量對煤矸石坡體含水量及徑流量的影響，以期為矸石山水土流失防治及水資源在植被修復中的利用提供參考。

1　研究區(qū)概況

試驗在輕工業(yè)環(huán)境保護研究所生態(tài)修復科研基地進行?；匚挥诒本┦胁娇h馬池口鎮(zhèn)亭子莊村(E 116°9′1.04″，N 40°9′56.73″)，海拔57 m。溫帶季風氣候，年平均溫度13.7 ℃，多年平均降水量620 mm，試驗期間年平均降水量為348 mm，降水集中在6—9月。

2　材料及方法

徑流小區(qū)朝北，寬2.75 m，長3.55 m(圖1)。煤矸石來自山西潞安及陽泉三礦。2011年12月—2012年1月運到試驗地，兩地煤矸石混合，鋪成厚度約70 cm、坡度為38°的坡面。坡底經過防滲處理，無法蓄存的水分作為地下徑流排出。經過1年沉降，2013年6—10月、2014年5—8月分別收集地表、地下徑流，每次降水1 d后用量筒量取徑流量，按小區(qū)面積換算成徑流深度。2013年6月—2014年11月，每月3次使用Diviner 2000土壤水分輪廓儀測量10～70 cm(0～10，10～20，…，60～70 cm)各層的煤矸石體積含水量。以附近土質邊坡為對照，比較分析矸石坡地表徑流量及含水量。土質邊坡朝西，坡長5 m，坡度為26°，無地被植物覆蓋。2013年6—10月測量土質邊坡地表徑流量、土壤含水量，測量方法同前。使用Davis自動氣象站記錄氣溫、相對濕度、降水量，記錄間隔為10 min。

圖1　徑流小區(qū)示意圖Fig.1　Design of runoff plot

對降雨量、最大降雨強度、平均降雨強度與地表徑流量、地下徑流量進行相關分析。根據GB/T 28592—2012《降水量等級》將24 h降雨量分成小雨(<10 mm)、中雨(≥10 mm，<25 mm)、大雨(≥25 mm)，比較不同等級降雨產流情況，比較2013年及2014年相同等級下降雨產流情況。使用配對樣本非參數檢驗煤矸石坡10～70 cm各層含水量差異性。下滲停止后，含水量日變化量為日蒸發(fā)量，對日蒸發(fā)量與初始含水量日平均氣溫、相對濕度進行相關分析。

3　結果與分析

3.12013年降雨及煤矸石坡產流情況

2013年試驗期間總降雨量為332.7 mm，累計產生徑流29.165 mm，其中地表徑流2.428 mm，占總徑流量8.3%，地下徑流26.737 mm，占總徑流量91.7%。煤矸石坡產生的徑流絕大部分為地下徑流，地表徑流較少。

如表1所示，試驗期間降小雨9次，累計降雨量為50.8 mm，累計產生徑流0.348 mm，其中地表徑流0.142 mm，占總徑流量40.8%，地下徑流0.206 mm，占總徑流量59.2%。中雨8次，累計降雨量為129.8 mm，累計產生徑流12.334 mm，其中地表徑流1.503 mm，占總徑流量12.2%，地下徑流10.831 mm，占總徑流量87.8%。大雨4次，累計降雨量為152.1 mm，累計產生徑流16.483 mm，其中地表徑流0.783 mm，占總徑流量4.8%，地下徑流15.700 mm，占總徑流量95.2%。無論降雨等級，煤矸石坡產生的地下徑流量均大于地表徑流量，隨著降水量等級升高，更多降水以地下徑流的形式流失。

2013年，小雨累計降雨量為試驗期間總降雨量15.3%，產生的地表徑流占累計地表徑流量的5.8%，地下徑流占累計地下徑流量的0.8%；中雨累計降雨量為試驗期間總降雨量39.0%，產生的地表徑流占累計地表徑流量的61.9%，地下徑流占累計地下徑流量的40.5%；大雨累計降雨量為試驗期間總降雨量45.7%，產生的地表徑流占累計地表徑流量的32.3%，地下徑流占累計地下徑流量的58.7%。在小雨情況下，煤矸石坡產生地表、地下徑流量占累計地表、地下徑流量比例最小，中雨情況下產生地表徑流量比例最大，大雨情況下產生地下徑流量比例最大。

3.22014年降雨及煤矸石坡產流情況

2014年，試驗期間總降雨量為176.8 mm，累計產生徑流7.872 mm，其中地表徑流0.636 mm，占總徑流量8.1%，地下徑流7.236 mm，占總徑流量91.9%。地表、地下徑流量占總徑流量的比例與2013年基本一致。

如表2所示，試驗期間降小雨3次，累計降雨量為23.8 mm，累計產生徑流0.009 mm，其中地表徑流0.009 mm，占總徑流量100%，不產生地下徑流。中雨6次，累計降雨量為113.2 mm，累計產生徑流1.809 mm，其中地表徑流0.140 mm，占總徑流量7.7%，地下徑流1.669 mm，占總徑流量92.3%。大雨1次，降雨量為39.8 mm，產生徑流6.054 mm，其中地表徑流0.487 mm，占總徑流量8.0%，地下徑流5.567 mm，占總徑流量92.0%。

高職院校一線教師大多由高學歷背景、高研究能力的碩博研究生組成，他們擁有較強的教學能力和科研能力，能夠承擔較重的教學任務，然而缺乏敏銳的市場洞察力，科研課題偏重基礎理論的研究，應用型研究較少。在選擇科研項目時，重點考慮學術水平的高低和項目的新穎性，忽視了研究成果產品化的可行性，導致研究成果與實際市場需求脫節(jié)。

表2　2014年各等級降雨累計產流量及產流比例

2014年，小雨累計降雨量為試驗期間總降雨量13.5%，產生的地表徑流占累計地表徑流量的1.4%，不產生地下徑流；中雨累計降雨量為試驗期間總降雨量64.0%，產生的地表徑流占累計地表徑流量的22.0%，地下徑流占累計地下徑流量的23.1%；大雨累計降雨量為試驗期間總降雨量22.5%，產生的地表徑流占累計地表徑流量的76.6%，地下徑流占累計地下徑流量的76.9%。與2013年相比，盡管中雨頻率、占總降雨量比例增加，但中雨情況下產生的地表、地下徑流量占累計地表、地下徑流量的比例減少；盡管大雨頻率、占總降雨量比例下降，但大雨情況下產生地表、地下徑流量占累計地表、地下徑流量的比例增加。

3.3煤矸石坡表層含水量年際變化

2013年8月—2014年11月，煤矸石坡10～70 cm各層平均含水量分別為0.89%、3.82%、2.44%、0.82%、1.01%、0.78%、1.25%。水分主要蓄存在20～30 cm層，20 cm含水量顯著高于10和40～70 cm含水量，30 cm含水量顯著高于10 cm和40～60 cm各層含水量(P<0.01)。

如表3所示，從2013到2014年，煤矸石坡各層含水量增加。盡管2014年各月降雨量均低于2013年，70 cm內平均含水量從0.78%～1.94%增加到1.04%～2.36%。10～30 cm含水量升高幅度最大，從0.46%～5.02%增加到0.77%～6.25%。

3.4煤矸石坡與土坡地表徑流量、表層含水量比較

2013年，每次小雨下土質邊坡平均產生徑流0.467 mm，矸石坡為0.018 mm；每次中雨下土坡平均產生徑流0.735 mm，矸石坡為0.188 mm；每次大雨下土坡平均產生徑流1.057 mm，矸石坡為0.196 mm。在不同等級的降雨條件下，煤矸石坡產生的地表徑流量均小于土坡，分別為土坡的4%、26%、19%。

表3　2013及2014年8—11月各層含水量及氣象因子

2013年8—10月，10～70 cm各層平均含水量分別為13.24%、19.19%、17.92%、19.06%、19.52%、16.54%、17.44%，是同期矸石坡各層含水量的5～25倍，說明煤矸石的持水能力顯著低于未受擾動的土壤。矸石顆粒粗大、滲透性強，因此不容易產生地表徑流；但由于持水力弱，在中、高強度降雨下，尤其遇到暴雨或連續(xù)的中等強度降雨時，煤矸石坡無法蓄存的降雨以地下徑流的形式流失，產生的徑流總量可能遠大于未受擾動的土坡。

4　討論

4.1降水量等級對煤矸石坡徑流量的影響

試驗期間，小雨累計降雨量占總降雨量14.6%，煤矸石坡產生的地表徑流量、地下徑流量、徑流總量分別為累計地表、地下及徑流總量的4.9%、0.6%、0.9%。中雨累計降雨量占總降雨量47.7%，煤矸石坡產生的地表徑流量、地下徑流量、徑流總量分別為累計地表、地下及徑流總量的53.7%、36.8%、37.7%。大雨累計降雨量占總降雨量37.7%，煤矸石坡產生的地表徑流量、地下徑流量、徑流總量分別為累計地表、地下及徑流總量的41.4%、62.6%、61.3%。由此可見：在小雨情況下，煤矸石坡產生的地表、地下徑流量均較少；中雨發(fā)生頻率和累計降水量最高，累計產生的地表徑流量最高；大雨發(fā)生頻率最低，累計產生的地下徑流量和總徑流量最高。

平均來看，次小雨產生地表徑流0.014 mm、地下徑流0.019 mm，次中雨產生地表徑流0.117 mm、地下徑流0.962 mm，次大雨產生地表徑流0.252 mm、地下徑流4.253 mm。由此可見：在小雨條件下，煤矸石坡地表、地下徑流量接近；在中雨及大雨條件下，降雨主要以地下徑流的形式流失。

相關分析表明，地表徑流與降雨量顯著正相關(P<0.05)，R為0.579。地下徑流與平均降雨強度、最大降雨強度顯著正相關(P<0.05)，R分別為0.621和0.614?？芍涤陱姸炔伙@著影響地表徑流量，這與李建明等[5]的研究結果一致。由于煤矸石風化物主要由石塊和石礫組成，滲透能力強，持水能力弱，隨著降雨強度增加，更多的降雨滲入坡體，超滲產流較少；降雨以地下徑流的形式迅速流失，坡體維持不飽和的狀態(tài)，蓄滿產流較少[11]：因此，地表徑流與降雨強度相關性不大。于桂芬等[12]的研究表明，風化15年以上的矸石山產流量與降雨強度顯著相關，相關系數在0.9以上，說明隨著煤矸石風化，滲透性降低，持水能力增強，地表徑流量與降雨強度的相關性可能增加。降雨量不顯著影響地下徑流，可能是由于長歷時的低強度降雨與高強度的短歷時降雨盡管累計降雨量相近；但產流過程不同[13]，導致降雨量與地下徑流量相關性較弱。此外，由于相關分析使用的是連續(xù)2年的降雨-徑流數據，而試驗翌年煤矸石的物理特性明顯不同于試驗首年，也導致降雨量與地下徑流量相關性較弱。

4.2堆積年限對煤矸石坡徑流量的影響

如圖2所示，2014年徑流量明顯低于2013年。

2013年，每次小雨平均產生0.018 mm地表徑流、0.026 mm地下徑流，平均產生徑流0.043 mm；2014年，每次小雨平均產生0.003 mm地表徑流，試驗期間3次小雨皆不產生地下徑流。與2013年相比，2014年次小雨產生的地表徑流、地下徑流和總徑流量分別降低50%、100%、80%。

2013年，每次中雨平均產生0.188 mm地表徑流，1.547 mm地下徑流，平均產生徑流1.735 mm；2014年，每次中雨平均產生0.023 mm地表徑流，0.278 mm地下徑流，平均產生徑流0.301 mm。與2013年相比，2014年次中雨產生的地表徑流、地下徑流和總徑流量分別降低88%、82%、97%。

2013年每次大雨平均產生0.196 mm地表徑流，3.925 mm地下徑流，平均產生徑流4.121 mm；2014年試驗期間唯一一次大雨產生0.487 mm地表徑流，5.567 mm地下徑流，總徑流量為6.054 mm。由于樣本不足，大雨產流的變化還需進一步觀測。

圖2　次降水量及徑流圖Fig.2　Precipitation and runoff

坡面徑流的產生與下墊面性質密切相關[14]。通常來說，物理風化導致細粒物質的質量分數增加，小粒徑的煤矸石顆粒填入大孔隙，通氣孔隙減少，滲透系數下降；然而，在小雨及中雨情況下，試驗翌年煤矸石坡地表徑流、地下徑流均小于試驗首年，說明更多的降雨進入并保存在坡體中。風化作用可能降低了煤矸石的斥水性[15]，改善了風化物中孔隙的連通性[16]，從而減少地表徑流量。由于煤矸石坡地表徑流較少，風化的作用主要體現為地下徑流的減少。

4.3堆積年限對煤矸石坡含水量的影響

煤矸石的持水量包括顆粒內部水、顆粒表面結合水和毛管水。隨著煤矸石風化，風化裂隙逐漸發(fā)育，裂隙水含量增加，次生黏土礦物與水結合，也提高了顆粒內部水的含量。由于黏粒及黏土礦物逐漸增多，煤矸石顆粒表層結合水的含量有所提高。由于單位體積的煤矸石比表面積增加，毛管水含量逐漸增加[17]。研究[18-19]表明，風化作用導致煤矸石飽和持水量和田間持水量增加。由于矸石山表層風化程度高，因此持水能力和含水量較高。段永紅等[20]測得棄置20余年的煤矸石邊坡10～30 cm雨季含水量為10.95%～11.47%，說明隨著堆積年限增加，煤矸石的持水能力和自然含水量將進一步提高。

含水量不但與持水能力有關，也與蒸發(fā)能力有關[21]。相關分析表明，煤矸石日蒸發(fā)量與初始含水量顯著相關(P<0.01，R=0.898)。盡管10 cm煤矸石風化程度高，但蒸發(fā)快；因此含水量低，干燥的風化層切斷了毛管聯系，阻礙毛管水的上升，有利于下層水分的保存[22]。

盡管煤矸石具有一定的蓄水能力，但在自然降水條件下，煤矸石坡的含水量仍然顯著低于未受擾動的土坡。根據張銳等[23]的研究，煤矸石的毛管孔隙度僅1.17%～1.40%，滲入煤矸石的降水在重力作用下迅速流失，植物缺乏水分，存活和生長受到限制。在矸石山生態(tài)修復中，覆土是常用的改善立地條件的工程措施[24-25]；但是，覆蓋用土的滲透速率小[26]，土體如果受到機械碾壓，則滲透速率進一步下降。當下滲速率小于降雨強度，降雨以地表徑流的形式流失，得不到合理的利用[27]。為了在煤矸石的滲透性和持水能力之間權衡，一些學者將煤矸石與不同的固體組分混合，改變煤矸石的顆粒組成和孔隙分布[28-30〗]，取得了一定的成果。

5　結論

1) 在小雨條件下，煤矸石坡地表、地下徑流量接近；在中雨及大雨條件下，降雨主要以地下徑流的形式流失。在小雨情況下，煤矸石坡產生的地表徑流、地下徑流量均較少；中雨的發(fā)生頻率和累計降水量最高，累計產生的地表徑流量最高；大雨發(fā)生頻率最低，累計產生的地下徑流量和總徑流量最高。

2)地表徑流量與降水量顯著正相關，地下徑流量與最大降雨強度、平均降雨強度顯著正相關。

3)2013—2014年，隨著風化程度增加，次小雨產生的地表徑流、地下徑流和總徑流分別降低50%、100%、80%，次中雨產生的地表徑流、地下徑流和總徑流分別降低88%、82%、97%。

4)煤矸石具有一定的蓄水能力，20～30 cm含水量最高。隨著風化程度增加，10～30 cm含水量增加。盡管10 cm風化程度高，但是由于表層蒸發(fā)，含水量較低。

5)由于煤矸石顆粒粗大、滲透性強，在小雨、中雨、大雨條件下，矸石坡產生的地表徑流量均小于土坡，分別為土坡的4%、26%、19%。

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Volumetric water content and runoff dynamic of coal gangue dump under natural precipitation

Feng Jingjing1,Zhang Chengliang2,Liu Zhixin1,Zhao Tingning1,Rong Liming2

(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China;2.Environmental Protection Research Institute of Light Industry,100089,Beijing,China)

[Background] Gangue is an undesirable material generated during shaft building,coal mining,and coal washing.Gangue is dug out from underground and piled up on the surface,which is called gangue dump.Because of the harsh site conditions of gangue dump,the recolonization of plants is very difficult.[Methods] In order to prevent erosion and facilitate revegetation in coal gangue dump,the volumetric water content and runoff of a coal gangue slope under natural precipitation were monitored for 2 years.The coal gangue was evenly spread on the 38° runoff plot and formed a slope with a depth of 70 cm.The base of the slope was impermeable,and the surface and groundwater runoffs were collected separately 1 day after each rainfall event.The effects of natural precipitation and weathering on volumetric water content and runoff were tested.[Results] 1) On average,during each light rainfall event (<10 mm/d),0.014 mm surface runoff and 0.019 mm groundwater runoff were produced,i.e.,the amounts of surface and groundwater runoffs were similar,and a small amount of surface and groundwater runoffs were generated on coal gangue slope.Moderate rains happened at the highest frequency and accounted for most surface runoff.In each moderate rainfall event (10-25 mm/d),0.117 mm surface runoff and 0.962 mm groundwater runoff were generated,meaning that more precipitation was discharged as groundwater runoff.While heavy rains occurred at the lowest frequency and accounted for most groundwater and total runoff,during each heavy rainfall event (>25 mm/d),0.254 mm surface runoff and 4.253 mm groundwater runoff were generated.2) The amount of surface runoff was positively correlated to precipitation,and the amount of groundwater runoff was positively correlated to maximum precipitation intensity and mean precipitation intensity.However,the correlation between precipitation intensity and surface runoff was not significant,which probably resulted from the fact that the infiltration rate of coal gangue was generally higher than the precipitation intensity.The correlation between precipitation and groundwater runoff was also not significant.3) In 2014,due to the increase of weathering,the amounts of surface runoff,groundwater runoff and total runoff during each light rainfall event decreased by 50%,100% and 80% respectively,compared to 2013.During moderate rainfalls,they decreased by 88%,82% and 97% respectively.4) Coal gangue held a certain amount of water,and the volumetric water content in 20-30 cm coal gangue was the most.Volumetric water content in 10-30 cm ones increased as gangue weathered despite less water input from precipitation in 2014,indicating water holding capacity increased.Even though gangue in 10 cm was highly weathered,the water content was low because of high evaporation rate.5) Because of its coarse texture and high infiltration capacity,the surface runoffs on the coal gangue slope during light,moderate and heavy rainfall events were 4%,26% and 19% of those on the soil slope respectively.[Conclusion] This research will guide the practice of soil and watter conservation in gangue dump.

coal gangue; runoff; precipitation; volumetric water content; weathering

2015-03-12

2015-11-17

項目名稱：國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“四川地震災區(qū)災后植被恢復及可持續(xù)發(fā)展關鍵技術研究與示范”(201104109)

馮晶晶(1989—)，女，博士研究生。主要研究方向：工程綠化。E-mail：staatstionnoit@sina.com

簡介：趙廷寧(1962—)，男，博士，教授。主要研究方向：工程綠化。E-mail：zhtning@bjfu.edu.cn

S157

A

1672-3007(2016)04-0060-08

10.16843/j.sswc.2016.04.008